德國(guó)第四次工業(yè)革命

亮劍

德國(guó)第四次工業(yè)革命

張海平2014-3-12

摘要：

    本文介紹了筆者在2013漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上所了解到的一些關(guān)于第四次工業(yè)革命的探討,。

    受中國(guó)液壓氣動(dòng)密封件工業(yè)協(xié)會(huì)委托,，筆者觀摩參與了德國(guó)漢諾威2013工業(yè)博覽會(huì),。這次漢諾威博覽會(huì)的熱議話題是“第四次工業(yè)革命”,。

    “第四次工業(yè)革命”(Industrie 4.0)最早是在2011年漢諾威博覽會(huì)上,，由三位大學(xué)教授提出來(lái)的,。

    制造業(yè)在德國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)中(創(chuàng)造的價(jià)值)占26%,。作為提升傳統(tǒng)制造業(yè)的戰(zhàn)略發(fā)展方向，112頁(yè)的實(shí)施建議由項(xiàng)目研究組在2012年10月2日提交給德國(guó)聯(lián)邦政府此項(xiàng)目牽頭的教育科研部(BMBF),、經(jīng)濟(jì)部(BMWi)和內(nèi)政部(BMI),。已撥款2億歐元(約16億人民幣)作為第一步的研發(fā)經(jīng)費(fèi)。

    這是一場(chǎng)有組織的革命,。德國(guó)的機(jī)械設(shè)備制造協(xié)會(huì)(VDMA),、電子工業(yè)中央聯(lián)盟(ZVEI)和信息通訊新媒體協(xié)會(huì)(BITKOM)有史以來(lái)第一次搭建了一個(gè)聯(lián)合工作平臺(tái)，2013年4月開(kāi)始工作,，任務(wù)之一就是協(xié)調(diào)已有的和要開(kāi)始的研究項(xiàng)目,。

    在德國(guó)，工業(yè)革命是如此認(rèn)定劃分的：

    第一次,，機(jī)械化,。從18世紀(jì)末開(kāi)始，蒸汽機(jī)逐步取代人力,。當(dāng)時(shí),，機(jī)器采用集中動(dòng)力驅(qū)動(dòng),，動(dòng)力   從上空的動(dòng)力軸通過(guò)皮帶傳給機(jī)器。機(jī)械制造,，之前已開(kāi)始有分工,，但直到采用新動(dòng)力方式，才開(kāi)始如今天的形態(tài),。 機(jī)床制造,，作為一個(gè)行業(yè)，最早從英國(guó)開(kāi)始,�,！癕ade in Germany”就是當(dāng)年英國(guó)人在德國(guó)人造的機(jī)床上貼的(作為劣質(zhì)品的)警告標(biāo)志。

    第二次,，流水線生產(chǎn),。始于1913年美國(guó)人福特采用流水線制造汽車(chē)，規(guī)格化生產(chǎn),，成本大大下降,，價(jià)格從850US$降到370US$。但同時(shí)也大大地放棄了個(gè)性化,。機(jī)器和流水線開(kāi)始逐步由電驅(qū)動(dòng),，更易控制。

    第三次,，自動(dòng)化,。始于1974年。當(dāng)時(shí)在德國(guó)一個(gè)小地方(Neuhausen im Enzkreis)的一個(gè)小企業(yè)(Klaschka GmbH)研發(fā)出了由集成電路制成的PLC(可編程邏輯控制器),�,？刂七壿嫞�相��(duì)繼電器組成的控制器,，可以更方便更靈活地更換修改，邁出了微處理器控制工業(yè)應(yīng)用的第一步,。但當(dāng)時(shí)正值冷戰(zhàn),，沒(méi)有人想到這個(gè)小東西會(huì)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)如此大的變化，以致值得稱(chēng)之為革命,。以后,，硬件水平、集成度不斷提高,，采用了C語(yǔ)言和更高級(jí)的編程語(yǔ)言,，不僅可以描述簡(jiǎn)單的與或邏輯關(guān)系，還可以描述各種復(fù)雜的控制策略(PID,、自適應(yīng),、自學(xué)習(xí)等等),，現(xiàn)在已被廣泛使用，幾乎無(wú)處不在,。一個(gè)典型的例子是汽車(chē)工業(yè),。在上世紀(jì)八十年代末，美國(guó)麻省理工學(xué)院完成的一項(xiàng)耗資500萬(wàn)US$的調(diào)研報(bào)告“改變了世界的機(jī)器”說(shuō),，日本汽車(chē)工業(yè)之所以能在20年里搶占世界三分之一市場(chǎng),，除了“苗條”(零庫(kù)存)工廠外，最重要的一點(diǎn)是因?yàn)閺V泛實(shí)現(xiàn)了裝配自動(dòng)化,，機(jī)器人輔助的裝配大幅度地提高了質(zhì)量與生產(chǎn)率,，因此，今后美國(guó)和歐洲的汽車(chē)工業(yè)很難與之競(jìng)爭(zhēng),。但是,，德國(guó)的汽車(chē)工業(yè)挺住了，其中一個(gè)原因就是,，德國(guó)的機(jī)器人中都裝有PLC,，程序可以靈活地不斷更換改進(jìn)。

    第四次工業(yè)革命的目標(biāo)則是工廠智能化Intelligente Fabrik(Smart Factory),。

    中心：讓網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)入制造業(yè),。

    背景：今后制造業(yè)將面臨的形勢(shì)——緊缺的資源、能源轉(zhuǎn)變,、員工年齡結(jié)構(gòu)改變,、全球化。

技術(shù)基礎(chǔ)：網(wǎng)絡(luò)和空間分布系統(tǒng),、順暢的通訊,，寬帶速度達(dá)7000Mbit/s。

    特點(diǎn)：靈活易變,、高資源效率,、考慮人類(lèi)工程學(xué)、以及使企業(yè)與顧客,、業(yè)務(wù)伙伴最緊密地結(jié)合,。

    設(shè)想的變革大致在以下幾個(gè)方面。

    1) 生產(chǎn)工藝與信息技術(shù)融合

    目前所說(shuō)的數(shù)字化工廠,，首先強(qiáng)調(diào)的是生產(chǎn)計(jì)劃數(shù)字化和大量使用各種計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)：CAD,、CAM、CIM,、PPS(生產(chǎn)計(jì)劃控制系統(tǒng)),、PDM、DMU(數(shù)字試驗(yàn)?zāi)Ｐ?,、PLM(產(chǎn)品生命周期管理),，等等,，較多地是基于一個(gè)相對(duì)固定、由上而下的生產(chǎn)集中控制系統(tǒng),。而新的革命強(qiáng)調(diào)的則是分散,，降低集中控制度，增加生產(chǎn)設(shè)備的自主控制,，把分散的自主的智能化的制造設(shè)備,，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的形式緊密地聯(lián)接在一起，具有更開(kāi)放,，更積極通訊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),，更具動(dòng)態(tài)性和靈活性，從而能發(fā)掘出更多優(yōu)化的可能,，估計(jì)可以提高生產(chǎn)效率 30%,。其中，CPS將起一個(gè)核心的作用,。CPS——Cyber-Physical System,，網(wǎng)絡(luò)實(shí)體融合控制系統(tǒng)是一個(gè)由傳感器、控制電腦,、執(zhí)行器以及網(wǎng)絡(luò)組合的控制系統(tǒng),。

    目前在某些領(lǐng)域，例如航空,、汽車(chē),、化工生產(chǎn),、基礎(chǔ)建設(shè)、能源,、健康,、制造,、交通控制,、娛樂(lè)和消費(fèi)性電子產(chǎn)品等等,，已出現(xiàn)了類(lèi)似于CPS的電子組合控制系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)目前通常都是嵌入式系統(tǒng),，比較強(qiáng)調(diào)其運(yùn)算控制能力,，CPS則更強(qiáng)調(diào)實(shí)體裝置和電腦網(wǎng)絡(luò)的連結(jié)。 　　CPS是借用技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)人的控制在時(shí)間,、空間等方面的延伸，本質(zhì)就是人,、機(jī),、物的融合。所以,，也被稱(chēng)為人機(jī)物融合系統(tǒng),。

    2)產(chǎn)品個(gè)性化

    生產(chǎn)高度靈活的工廠可以迎合顧客對(duì)產(chǎn)品個(gè)性化,、多樣化、不斷改變的要求,，可以通過(guò)現(xiàn)代化的手段,，以大批量生產(chǎn)的成本，制造批產(chǎn)量1的產(chǎn)品,。從某種意義上說(shuō),，回到了第一次工業(yè)革命之前。顧客與工廠頻繁交流溝通,，不僅在訂合同前,，而且在下訂單后、設(shè)計(jì),、加工,、裝配、調(diào)試階段,。因此,，顧客甚至可以在產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中改動(dòng)他的訂單細(xì)節(jié)。

    力士樂(lè)泵廠雖說(shuō)年產(chǎn)100萬(wàn)臺(tái)以上,，但十幾個(gè)大類(lèi),，每類(lèi)有十幾個(gè)規(guī)格，每個(gè)規(guī)格的變量功能有十幾種,，不同的限壓,、恒功率值等等要設(shè)定。因此,，最終產(chǎn)品好幾萬(wàn)種,，每批量并不很多。靈活多變的管理是極其重要的,。

    3)生產(chǎn)人性化

    通過(guò)工廠智能化,，更多的員工可以有靈活的工作時(shí)間，因此工作更安心了,。利用網(wǎng)絡(luò),，生產(chǎn)可以分散，從而可以分散能量供應(yīng),。利用網(wǎng)絡(luò),，員工可以就近，甚至在家里上班,。他們問(wèn)道,，如果大量員工每天長(zhǎng)途開(kāi)車(chē)上班，到廠里再花很大力氣節(jié)能減排,，又有多大實(shí)際意義呢? 圖1為一個(gè)設(shè)想的工廠,。

                              

圖 1 一個(gè)設(shè)想的網(wǎng)絡(luò)化工廠

    A. 所有加工設(shè)備,、待加工部件(運(yùn)輸小車(chē))、裝料機(jī)器手都裝有 CPS,，都具有無(wú)線上網(wǎng)功能,。

    B. 待加工部件不通過(guò)中央控制器，直接與加工設(shè)備聯(lián)系確定,，到哪臺(tái)設(shè)備進(jìn)行哪些加工,。工件控制工廠。

    C. 負(fù)責(zé)下道工序的加工設(shè)備直接調(diào)用待加工件,，獨(dú)立自主的運(yùn)輸小車(chē)根據(jù)地下鋪設(shè)的感應(yīng)線路,，把工件送給裝料機(jī)器手。

    D. 所有后續(xù)工序需要的產(chǎn)品信息,，包括生產(chǎn)銷(xiāo)售文件都由各工件自己攜帶,。

    E. 如果出現(xiàn)差錯(cuò)，或顧客的特別要求與現(xiàn)有的 CAM 數(shù)據(jù)不符,，研發(fā)部的工程師會(huì)立刻得到報(bào)警,。補(bǔ)充改進(jìn)措施會(huì)立刻在一個(gè)虛擬的試驗(yàn)環(huán)境下檢查,，然后發(fā)給工件,。德國(guó)應(yīng)用技術(shù)研究院的制造設(shè)備與生產(chǎn)技術(shù)研究所(IPK)與柏林工大的機(jī)床與工廠管理研究所合作，自 2008 年起就建立了一個(gè)名為 Sopro(生產(chǎn)自我組織)的示范性車(chē)間,，以筆記本電腦模擬產(chǎn)品,，自我安排加工，起中心領(lǐng)導(dǎo)作用,。在 Kaiserlautern 市的人工智能研究中心已經(jīng)建立了一個(gè)示范工廠(圖 2),，20 個(gè)企業(yè)參與了工廠的運(yùn)營(yíng)。

圖 2 一個(gè)示范工廠

    德國(guó) Wittenstein 公司在斯圖加特市內(nèi)新建了一個(gè)所謂“住宅區(qū)工廠”,，機(jī)床,、生產(chǎn)工具和半成品都已聯(lián)網(wǎng)，產(chǎn)品細(xì)節(jié)在最后一分鐘還可以更改,。制造的精密齒輪被用于方程式 I 的賽車(chē),、航空與航天等設(shè)備中。

    力士樂(lè)公司推出了開(kāi)放核心(圖 3),，即工程師可以用各種高級(jí)編程語(yǔ)言,，通過(guò)各種編程工具，從各類(lèi)硬件的各種操作系統(tǒng)出發(fā),，調(diào)用核心的控制功能,，完成各種應(yīng)用。演示模型是一個(gè)平板電腦，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(W-LAN),，控制一個(gè)六自由度的平臺(tái)，隨平板電腦擺動(dòng),。

圖 3 力士樂(lè)推出的開(kāi)放核心

    圖 4 為力士樂(lè)設(shè)想的將來(lái)的工廠,，全自動(dòng)車(chē)間，技師帶著平板電腦,，利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò),，與各設(shè)備聯(lián)絡(luò)，了解情況,，調(diào)整狀況,。

    “第四次工業(yè)革命”在 2013 漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上也被廣泛地討論了。較普遍的意見(jiàn)是：

    1)德國(guó)在機(jī)械制造,、自動(dòng)化及信息技術(shù)方面已經(jīng)很強(qiáng)大,，德國(guó)經(jīng)濟(jì)就是依靠 know-how(技能)、高質(zhì)量和首創(chuàng)的產(chǎn)品生存,，所以,，有最好的前提條件，在第四次工業(yè)革命中起領(lǐng)導(dǎo)作用,，以保持并擴(kuò)大德國(guó)制造業(yè)的傳統(tǒng)核心和國(guó)際領(lǐng)先地位,。

    2)第四次工業(yè)革命不會(huì)是一個(gè)從今天到明天，一下子拋棄全部已有設(shè)備的突變,，而是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程(2020-2030年),。前幾次工業(yè)革命中，每個(gè)階段也都延續(xù)幾十年,。因?yàn)�,，在進(jìn)行實(shí)質(zhì)性的工程技術(shù)改造之前，首先需要的是,，在參與者的腦子里發(fā)生改變,，要進(jìn)行跨技術(shù)領(lǐng)域的思考。現(xiàn)在,，經(jīng)濟(jì)界,、法律界、工會(huì)都已參與進(jìn)來(lái),。

    3)很重要的是要注重實(shí)效,，不斷改進(jìn)、不停創(chuàng)新,。

    4)最終要贏得的是商業(yè)伙伴和員工,。如果做不到這點(diǎn)的話，所有閉門(mén)思考出來(lái)的方案都是沒(méi)有用的。

    參考文獻(xiàn) 　Ampere,，ZVEI：Die Elektroindustrie, 2013-1

神仙老虎狗

很好的文章！

zerowing

呵呵,，看完了在想,，如果第四次工業(yè)革命完成了，天朝該何去何從,？
跟上步伐,，就意味著大量的失業(yè)人員。保證就業(yè),，就要放棄先進(jìn)生產(chǎn)力,。哈哈。
于是又想起了8爺說(shuō)的,，人在不停的向服務(wù)業(yè)流動(dòng),，為啥？哈,，因?yàn)橹圃鞓I(yè)在不斷的疏散勞動(dòng)力,。

憨老馬

宇宙速度

學(xué)習(xí)了

microsoft_liu

張海平早期在亞琛工業(yè)大學(xué)搞液壓基礎(chǔ)研究,，老了關(guān)心國(guó)內(nèi)發(fā)展，這個(gè)人確實(shí)是很不錯(cuò)的,，比起有些 國(guó)內(nèi)混項(xiàng)目混基金發(fā)垃圾文章的專(zhuān)家教授,，不知道要強(qiáng)多少，這個(gè)你懂的,。

wangqing1

我是看不到了,！除非出國(guó),！

xiaoshxin

這個(gè)東西太超前了，感覺(jué)還是很抽象

一重科技

德國(guó)一直是引領(lǐng)著工業(yè)的未來(lái)�,。,。�